基于低壓缸零出力的350 MW 機(jī)組裝機(jī)方案優(yōu)化與深度調(diào)峰能力分析

徐 進(jìn)王 義

(大唐保定熱電廠,河北 保定 071051)

0 引言

近年來(lái),隨著社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)保、資源節(jié)約等問(wèn)題日益重視,新能源機(jī)組裝機(jī)容量迅速提高,可再生能源在減污降碳方面取得了顯著效果[1]。為了適應(yīng)新能源機(jī)組發(fā)展趨勢(shì),提高火電運(yùn)行靈活性成了火電機(jī)組轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。根據(jù)深度調(diào)峰負(fù)荷范圍100%～20%的要求,新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需要從設(shè)計(jì)階段開始轉(zhuǎn)變觀念,為積極參與電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)創(chuàng)造條件。

通過(guò)對(duì)各工況下的汽輪機(jī)熱平衡圖數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,與傳統(tǒng)抽汽供熱機(jī)組相比,低壓缸零出力供熱技術(shù)將原低壓缸做功蒸汽用于供熱,提高機(jī)組供熱能力,一定程度降低機(jī)組發(fā)電功率,為實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰、提高運(yùn)行靈活性提供了可能。

1 新建350 MW 機(jī)組原裝機(jī)方案

以某新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例,該工程擬建設(shè)2臺(tái)350 MW 超臨界、抽汽凝汽式燃煤供熱發(fā)電機(jī)組,其中1臺(tái)機(jī)組采用雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱技術(shù),高背壓機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組參數(shù)

供熱期高背壓工況下凝汽器的壓力提高到48 k Pa,低壓缸排汽溫度由30～45 ℃升至80 ℃,以熱網(wǎng)循環(huán)水做為冷卻水吸收低壓缸排汽余熱,熱網(wǎng)循環(huán)水在凝汽器中進(jìn)行一次加熱后水溫提高到75 ℃,送到首站熱網(wǎng)加熱器利用2臺(tái)機(jī)組的采暖抽汽進(jìn)一步加熱后對(duì)外供熱。供熱期抽汽供熱機(jī)組和高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組同時(shí)運(yùn)行,在額定工業(yè)抽汽量120 t/h時(shí),抽汽供熱機(jī)組采暖抽汽量為370 t/h,供熱量約為261 MW。高背壓機(jī)組背壓排汽量為610 t/h,供熱量約為382 MW。因此2臺(tái)機(jī)組供熱期運(yùn)行可提供采暖負(fù)荷643 MW,按照綜合采暖熱負(fù)荷45 W/m2計(jì)算,該熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目投產(chǎn)后可增加采暖面積1 430萬(wàn)m2。

2 低壓缸零出力技術(shù)

高背壓雙轉(zhuǎn)子相比傳統(tǒng)抽汽供熱能夠獲得更多的發(fā)電收益。但在新能源機(jī)組消納能力提升,火電利用小時(shí)數(shù)連年下降的影響下,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組急需提高深度調(diào)峰能力,否則供熱期機(jī)組負(fù)荷受到限制的情況下勢(shì)必會(huì)對(duì)供熱造成影響[2]。

低壓缸零出力技術(shù)是在供熱期完全關(guān)閉中低壓聯(lián)通管蝶閥,將原來(lái)進(jìn)入低壓缸做功的蒸汽全部用于采暖抽汽,并新增旁路管道,通過(guò)少量蒸汽進(jìn)入低壓缸冷卻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量[3]。以某新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例,2臺(tái)機(jī)組均采用低壓缸零出力技術(shù),機(jī)組投產(chǎn)后可提供工業(yè)蒸汽2×120 t/h,采暖抽汽2×512 t/h,合計(jì)提供供熱量約為722.3 MW,按照綜合采暖熱負(fù)荷45 W/m2計(jì)算,該熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目可滿足采暖面積約1 605.1萬(wàn)m2。采用低壓缸零出力技術(shù)能夠獲得更多的供熱量,且供熱期機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷為250 MW,相比高背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù)調(diào)峰性能更好。

3 優(yōu)化后的系統(tǒng)布置

3.1 冷卻旁路

由于供熱期中壓缸排汽全部用于采暖抽汽供熱,需要一部分進(jìn)汽來(lái)冷卻低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量才能保證機(jī)組正常運(yùn)行,所以采用低壓缸零出力方案需在原有中低壓聯(lián)通管的基礎(chǔ)上新設(shè)置1條冷卻旁路及噴水減溫裝置,低壓缸冷卻旁路系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 低壓缸冷卻旁路系統(tǒng)

3.2 熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

與高背壓雙轉(zhuǎn)子不同,低壓缸零出力技術(shù)是通過(guò)切斷低壓缸進(jìn)汽的方法增加采暖抽汽量來(lái)提高供熱量,增加的采暖蒸汽相比高背壓排汽擁有更高的參數(shù),供熱效果更佳。相比原裝機(jī)方案1臺(tái)高背壓機(jī)組+1臺(tái)抽汽供熱機(jī)組,優(yōu)化后的2臺(tái)低壓缸零出力機(jī)組能夠多提供約45 t/h的采暖抽汽。增加的供熱量需要更大的熱網(wǎng)循環(huán)水量吸收,以某新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例,原裝機(jī)方案下的熱網(wǎng)循環(huán)水總量為14 200 t/h,配置4臺(tái)換熱面積為2 500 m2熱網(wǎng)加熱器,優(yōu)化后采用低壓缸零出力技術(shù),熱網(wǎng)循環(huán)水總量為15 500 t/h,配置4臺(tái)換熱面積為3 100 m2熱網(wǎng)加熱器,相應(yīng)的熱網(wǎng)循環(huán)泵及管道容量也需增大。

3.3 旁路裝置

旁路裝置作為汽輪機(jī)的重要組成部分,能夠回收工質(zhì)及縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間,因?yàn)榕月费b置可將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不經(jīng)汽輪機(jī)而直接引入再熱器或凝汽器,為實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰運(yùn)行提供了可能。根據(jù)某新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組低壓缸零出力工況熱平衡圖,在不采用其它輔助供熱技術(shù)的情況下,采暖蒸汽流量隨負(fù)荷變化曲線如圖2所示。

圖2 采暖蒸汽流量隨負(fù)荷變化曲線

從圖2可以得出,供熱期能夠達(dá)到的最低負(fù)荷為151 MW,且該工況下采暖抽汽量?jī)H為291 t/h,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已不能滿足供熱要求,另外非供熱期20%THA工況下的最低負(fù)荷為70 MW,若想實(shí)現(xiàn)全年20%負(fù)荷深度調(diào)峰就要在低壓缸零出力的基礎(chǔ)上考慮旁路供熱[4]。根據(jù)某新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱平衡圖,供熱期機(jī)組20%負(fù)荷工況下采用旁路供熱技術(shù),該工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 20%負(fù)荷工況機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

此時(shí)機(jī)組采暖抽汽166.44 t/h,通過(guò)低壓旁路將再熱蒸汽減溫減壓后對(duì)外供熱,機(jī)組供熱期可提供445 t/h供熱蒸汽,在保證采暖效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全年深度調(diào)峰運(yùn)行。

3.4 低壓缸通流部分

原裝機(jī)方案采用高背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù),低壓缸通流部分需設(shè)計(jì)適用于高背壓供熱工況的低壓轉(zhuǎn)子、隔板、持環(huán)、導(dǎo)流板及末級(jí)霧化噴水減溫裝置等相關(guān)部件。采用低壓缸零出力技術(shù)后低壓缸通流部分與抽凝機(jī)組保持一致。

4 機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行安全性分析

低壓缸零出力技術(shù)能夠大幅提高深度調(diào)峰能力,但長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷工況下運(yùn)行會(huì)對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定性造成很大影響。

4.1 汽輪機(jī)本體壽命損耗

汽輪機(jī)組壽命損耗的主要原因是機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行中的蠕變變形,以及機(jī)組承受過(guò)大的熱應(yīng)力,主要來(lái)源于啟停機(jī)、變負(fù)荷工況下在汽輪機(jī)部件內(nèi)部產(chǎn)生的不穩(wěn)定溫度場(chǎng)導(dǎo)致的熱應(yīng)力。因此,應(yīng)在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段利用有限元分析方法對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),來(lái)消除熱應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)溫度敏感性較大的區(qū)域,使機(jī)組在大負(fù)荷階躍過(guò)程中壽命損耗最小。

4.2 末級(jí)葉片安全性

機(jī)組深度調(diào)峰時(shí),葉片長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷工況下運(yùn)行,汽流中的水滴隨蒸汽倒流沖刷,使葉片根部、頂部水蝕嚴(yán)重,且由于蒸汽流量下降導(dǎo)致流場(chǎng)不穩(wěn)定,形成倒流渦流區(qū),引發(fā)不規(guī)律的氣流激振,另外低負(fù)荷運(yùn)行工況下葉片根部的鼓風(fēng)效應(yīng),導(dǎo)致葉片強(qiáng)度等級(jí)下降,對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行不利。需要對(duì)末級(jí)、次末級(jí)葉片進(jìn)行噴涂處理,采用具有良好經(jīng)濟(jì)性及振動(dòng)特性的葉片結(jié)構(gòu),并對(duì)低壓缸噴水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,采用不銹鋼產(chǎn)品和霧化效果更好的噴頭,末兩級(jí)葉片設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn),給定葉片運(yùn)行溫度上限并設(shè)置報(bào)警保護(hù)。

4.3 鍋爐受熱面安全性

由于機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷下降導(dǎo)致主蒸汽流量降低,根據(jù)某新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱平衡圖,主蒸汽流量隨負(fù)荷變化曲線如圖3所示。350 MW 機(jī)組鍋爐在20%～30%低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),主蒸汽出口壓力7～9 MPa、溫度569℃,主蒸汽流量約為300 t/h,此狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)因產(chǎn)汽量不足引起受熱面冷卻能力下降,金屬?gòu)?qiáng)度變差。另外機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行中頻繁快速的升降負(fù)荷,將導(dǎo)致爐膛熱負(fù)荷分布急劇變化,水冷壁區(qū)域熱應(yīng)力分布不均,造成水冷壁上集箱管接頭出現(xiàn)疲勞裂紋[5]。

圖3 主蒸汽流量隨負(fù)荷變化曲線

因此,設(shè)計(jì)階段需提升高溫受熱面材質(zhì)等級(jí),對(duì)水冷壁上集箱進(jìn)行分段處理,將原通長(zhǎng)集箱根據(jù)熱應(yīng)力分布趨勢(shì)進(jìn)行分段處理。不同段集箱分別對(duì)應(yīng)消化不同區(qū)域的熱應(yīng)力,更有利于深度調(diào)峰負(fù)荷下鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)水冷壁上集箱管接頭進(jìn)行延長(zhǎng),增加管接頭對(duì)水冷壁熱應(yīng)力的吸收能力,降低集箱管接頭根部所承受的熱應(yīng)力沖擊。

5 機(jī)組深度調(diào)峰能力分析與運(yùn)行方式

根據(jù)電源建設(shè)原則以及前期工作開展情況,結(jié)合該新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所在地區(qū)電網(wǎng)2020-2030年發(fā)電裝機(jī)容量建設(shè)規(guī)劃可以得出,隨著“十四五”期間加快能源清潔低碳轉(zhuǎn)型的要求,從2022年開始該區(qū)域?qū)⒉辉傩陆ㄈ济簷C(jī)組,并且到2030年該地區(qū)以水電、風(fēng)電以及太陽(yáng)能為主的新能源裝機(jī)容量占比將達(dá)到60%。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用低壓缸零出力技術(shù)并對(duì)系統(tǒng)布置進(jìn)行優(yōu)化后,在非供熱期可實(shí)現(xiàn)20%負(fù)荷深度調(diào)峰運(yùn)行,根據(jù)某新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱平衡圖,裝機(jī)方案優(yōu)化前后機(jī)組調(diào)峰能力對(duì)比如表3所示,相比優(yōu)化前2臺(tái)機(jī)組供熱期可增加調(diào)峰功率72 MW。若在低壓缸零出力技術(shù)的基礎(chǔ)上利用旁路供熱,相比1臺(tái)高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組+1臺(tái)抽汽供熱機(jī)組供熱期可增加調(diào)峰功率432 MW,機(jī)組深度調(diào)峰能力得到大幅度提高。

表3 機(jī)組調(diào)峰能力對(duì)比

采用低壓缸零出力裝機(jī)方案并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,非供熱期機(jī)組參與深度調(diào)峰,機(jī)組負(fù)荷約為70 MW,能夠滿足20%低負(fù)荷運(yùn)行要求。供熱期機(jī)組最大供熱負(fù)荷為722.3 MW,此時(shí)切除低壓缸運(yùn)行并且通過(guò)高、低壓旁路聯(lián)合供熱方式使機(jī)組負(fù)荷控制在70 MW。該工況下采暖蒸汽量與旁路供汽量合計(jì)2×454 t/h,供熱量到達(dá)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的88%,滿足了區(qū)域供熱要求,此工況下鍋爐蒸發(fā)量523 t/h,鍋爐負(fù)荷約為50%,能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 供熱方案的經(jīng)濟(jì)性分析

在不考慮采用高、低壓旁路供熱技術(shù)的情況下,從供熱量、供電量與發(fā)電煤耗量3個(gè)方面對(duì)優(yōu)化前后的裝機(jī)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。以某新建熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例,按照外界環(huán)境溫度的變化及供熱需求將整個(gè)供熱期分為初寒期與極寒期,并結(jié)合機(jī)組在不同供熱時(shí)期的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。機(jī)組供熱期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表4所示。

6.1 供熱效益對(duì)比

高背壓排汽與采暖蒸汽的熱化系數(shù)分別取0.45與0.7,并結(jié)合表4中高背壓排汽量與采暖蒸汽量計(jì)算供熱期1臺(tái)高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組+1臺(tái)抽汽供熱機(jī)組可提供熱負(fù)荷643 MW,供熱期可提供熱量6 612 480 GJ。優(yōu)化裝機(jī)方案后采用低壓缸零出力供熱機(jī)組,熱化系數(shù)取0.7,結(jié)合采暖蒸汽量計(jì)算低壓缸零出力機(jī)組初寒期與末寒期分別提供熱負(fù)荷717 MW 與900 MW,供熱期可提供熱量8 316 000 GJ。按照27元/GJ價(jià)格計(jì)算,整個(gè)供熱期采用低壓缸零出力技術(shù)相比高背壓雙轉(zhuǎn)子方案可多盈利4 600萬(wàn)元。

表4 機(jī)組供熱期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

6.2 供電效益對(duì)比

2種裝機(jī)方案下機(jī)組供熱期運(yùn)行負(fù)荷指標(biāo)如表4所示,計(jì)算得出1臺(tái)高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組+1臺(tái)抽汽供熱機(jī)組供熱期發(fā)電量1 608 240 MW,2臺(tái)低壓缸零出力機(jī)組供熱期發(fā)電量1 481 952 MW,按照上網(wǎng)電價(jià)0.36元/k Wh計(jì)算,采用低壓缸零出力技術(shù)供熱期損失供電收益4 546萬(wàn)元。

6.3 煤耗量對(duì)比及社會(huì)效益

低壓缸零出力技術(shù)可以減少機(jī)組冷源損失,提高機(jī)組供熱量,降低機(jī)組發(fā)電煤耗[6],根據(jù)表4數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組供熱期煤耗量。得出采用1臺(tái)高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組+1臺(tái)抽汽供熱機(jī)組供熱期煤耗量283 153 t,2臺(tái)低壓缸零出力機(jī)組供熱期煤耗量318 237 t,優(yōu)化裝機(jī)方案后全廠供熱期煤耗量較高,從單臺(tái)機(jī)組角度對(duì)煤耗量進(jìn)行比較,供熱期高背壓雙轉(zhuǎn)子機(jī)組煤耗量115 776 t,抽汽供熱機(jī)組煤耗量167 377 t,低壓缸零出力機(jī)組煤耗量159 118 t,得出采用低壓缸零出力技術(shù)比傳統(tǒng)抽汽供熱單臺(tái)機(jī)組供熱期可節(jié)省燃煤8 259 t,若以2臺(tái)抽汽供熱機(jī)組供熱改造為例,采用低壓缸零出力技術(shù)供熱期可節(jié)約燃煤16 518 t,供熱期每天可減排CO2358.7 t、SOx1.16 t、NOx1.01 t。

7 結(jié)論

本文研究了低壓缸零出力技術(shù)對(duì)提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰能力的作用,通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化布置,提高了機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性,并從經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)2種裝機(jī)方案進(jìn)行了對(duì)比。該技術(shù)具備以下優(yōu)勢(shì)。

(1)低壓缸零出力技術(shù)可以提供更多的供熱量,能夠滿足城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、居民采暖負(fù)荷逐年增加的需求。

(2)相比高背壓雙轉(zhuǎn)子技術(shù),低壓缸零出力可以降低機(jī)組供熱期負(fù)荷,提高了機(jī)組深度調(diào)峰能力。

(3)新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組應(yīng)從設(shè)計(jì)階段考慮深度調(diào)峰的要求,對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化,以保證機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷工況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)目前設(shè)計(jì)下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可實(shí)現(xiàn)非供熱期20%負(fù)荷深度調(diào)峰運(yùn)行,若要實(shí)現(xiàn)供熱期20%深度調(diào)峰且保證供熱效果,需在低壓缸零出力的基礎(chǔ)上采用高、低壓旁路供熱技術(shù)。

(5)相比傳統(tǒng)抽汽供熱技術(shù),低壓缸零出力技術(shù)可在提高供熱量的同時(shí)節(jié)約燃料,減少CO2及污染物的排放,對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有較大的意義。